新型声子介导片上光子隔离方案有望推动量子技术的小型化

伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）研究团队用铌酸锂制造了 780nm / 1550nm 波长的片上隔光器。（图自：Ogulcan Orsel）

该校机械科学与工程（MechSe）教授 Gaurav Bahl 指出：“原子是自然界任何地方的完美参考，并且为许多量子应用奠定了基础”。

目前用于控制原子的激光器，需要借助隔离器来阻挡不必要的反射。然而此前在大规模实验中运行良好的隔离器，已被证明难以进一步小型化。

即使在最佳情况下，光也很难被驾驭 —— 它会在遇到各种表面时被反射、吸收和折射。

只需一面镜子，就可将光线送回原处。一块玻璃的碎片，就会在光线通过的同时造成弯曲。

更别提深色的岩石，会吸收光线并将之转化为热量。

换言之，光会自然地从其路径上的任何地方地方散射出去。但也正是这种“耿直”的特性，让我们即使在黑暗中也能寻找到一丝光明。

研究配图 - 1：具有手性吸收剂的光隔离器（来自：Nature）

尴尬的是，在大型量子设备中对光路进行控制，通常是一项极其艰巨的任务，其中涉及到大量的镜面、透镜、光纤等组件。想要实现整体装置的小型化，自然也要从多方面着手。

好消息是，过去几年，科学家和工程师们已经各种微芯片上的光控制元件设计方面取得了长足的发展。比如通过制造波导（光传输通道），我们甚至能够利用某些材料来改变其颜色。

然而要迫使微小光点（光子）沿单向移动、同时抑制不需要的向后反射，迄今依然相当棘手。

研究配图 - 2：基于声子介导的 p-ATS 隔离器的实现和表征。

研究一作 Benjamin Sohn 表示：“隔离器是一类允许光以某种方式不间断通过、并在相反路径上完全阻止它的特殊装置”。

仅使用常规介电材料或玻璃的话，我们是无法实现这种单向性的。为此，IQUIST 团队开辟了更具创新性的研究路线，并希望隔离器可调谐到原子传感器的光波长下运行。

虽然在现阶段，其在大规模装置下也很难实现。但与典型实验中使用的磁铁工具相比，声子介导方案还是具有相当独特的优势。

例如，几乎每个激光器都配有一个磁光隔离器，以防止光子离开时向后传播。尽管激光器本体也可做到小型化，但传统隔离器还是由两方面的问题。

研究配图 - 3：隔离器在 1,550 和 780 nm 附近的实验演示

首先，在紧凑型设备中，磁场会对附近的原子产生负面影响。其次，即使有办法解决这个问题，隔离器内部的材料，在较小的芯片尺度上也无法良好地工作。

好消息是，Gaurav Bahl 团队刚刚展示了一种新颖的非磁性光隔离器，并且证明了它的设计相当简洁、使用了常见的光学材料、且很容易适应不同波长的光。

我们想要设计一种自然避免损耗的设备，而最好的方法，就是别让光子穿透任何物体。

这样可让它继续沿着受控路径，且波导方案的实现很是简单，因为它是光子电路中非常基础的一款组件。

在一套完整的基于原子的系统中，波导会引导激光通过一系列元素、最终到达一个包含原子的小室。

研究配图 - 4：装扮状态下的非互易性光隔离演示

有鉴于此，IQUIST 团队优化了他们的芯片，以使用 780 nm 光 —— 这也是基于铷的传感器所需的最常见波长。

不过着只是整体设计的“前半部分”，毕竟为了隔离，我们还必须在相反方向阻挡光线。此前，该团队已经展示了他们可以将声波发射到光子电路中、以打破对称光流。

而在新研究中，研究人员又将这一设想转化为功能芯片原件的演示。可知完整光隔离器包含一个波导 + 相邻的环形谐振器，整体看起来像是一条长方形的跑道。

通常无论光是从哪个方向射入的，都会经由波导进入谐振器，从而阻挡所有光流。但当研究人员将声波施加到环上时，谐振器就只捕获通过波导向后移动的光。

在前进方向上，光会畅通无阻地通过波导，就像谐振器根本不存在那里一样。测量结果表明，几乎每个光子都向前移动通过波导，而向后移动的几率低至万分之一。

这意味着该设计已将损耗（不需要的光吸收）降低到了接近于零的水平，有效化解了此前片上隔离器长期存在的难题。